CN103335608B - 用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法 - Google Patents

Abstract

一种用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法。其包括收集资料、现场踏勘、机载LiDAR方案制定、点云数据采集、判断点云数据是否合格、点云数据去噪、拼接、判断点云数据是否完整、修正点云数据采集方案、影像采集、判断影像数据是否合格、数据保存等阶段。本发明提供的用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法具有测量速度快、容易实施、采集数据密度大、精度高等优点。另外，采用移动LiDAR测量系统进行外业采集，工作效率可大大提高。

Description

用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法

技术领域

本发明属于电力测量技术领域，特别是涉及一种用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法。

背景技术

500KV输电电网是我国电网的主要骨干网架，其设备种类众多、设备结构和电气连接关系复杂、线路走廊地形复杂多变；变电站作为电网当中重要电力设施，因其所包含的电力设备具有电压等级高、设备密集、安全等级高等特性，也为电网的可视化智能管理带来了难题。为了有效管理输变电电网，大幅度提高电网管理水平，建立全视角输变电三维数字电网势在必行。在构建输变电电网的工作中，首先需要对复杂多样的输变电电力设备进行三维空间数据的采集。而目前，主流且成熟的三维数据采集方法有很多种，但是尚没有单独的三维数据采集方式可以完全克服输电线路多样的周边环境给数据采集工作带来的障碍，同时也不能满足变电站内复杂的环境和高级别的安全要求。

国家电网输变电传统三维可视化模型构建，是根据设备图纸中各设备的尺寸构建三维模型，或者采用传统的地面定点式三维激光扫描技术，该技术的主要原理是在地面架设三维激光扫描装置，向目标电力设备发射激光脉冲，扫描被测区域后快速获得该目标设备上绝大多数点的三维坐标。一般一基杆塔需要采集两到三站，再将点云数据拼接成一基完成的杆塔点云数据，作为杆塔建模的基础数据。

根据图纸构建三维模型的方法，作业效率较低。同时对图纸的精确性要求较高，尤其要求图纸与现场的实际数据相同。另外因部分建设单位图纸保存工作不完善，甚至有些设备无图纸可用。而基于定点式的激光技术采集的点云数据，已基本达到设备建模的要求，但因其作业流程复杂，三维数据采集效率较低，导致项目成本增加，因此也较少使用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法。

为了达到上述目的，本发明提供的用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法所采用的硬件平台包括：安装在航空飞行器上的激光扫描装置、GPS定位装置、惯性导航仪、数字摄像机、主机、存储器、操作平台和机载电源；所述的用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、收集资料的S1阶段：收集项目指定的需要构建三维场景的输电线路或变电站的资料并进行综合分析；

步骤二、现场踏勘的S2阶段：组织外业采集人员到现场进行踏勘，记录被测区域的周边地理环境，分析适合机载方式的采集方案，为制定外业采集方案提供依据；

步骤三、机载LiDAR方案制定的S3阶段：根据S1阶段收集的资料和S2阶段现场踏勘记录的现场情况、或者是前次采集所得的采集修正方案，制定详细的外业采集方案；即确定外业采集的航带、飞行高度、飞行速度等关键参数，方案制定完毕后，下一步同时进入S4阶段和S9阶段，同时进行机载点云数据采集和机载影像采集；

步骤四、点云数据采集的S4阶段：根据制定好的外业采集方案，通过机载激光扫描装置进行三维点云数据采集，并将采集到的点云数据传送给主机；

步骤五、判断点云数据是否合格的S5阶段：主机验证点云数据的精度、密度是否满足建模要求，并以此判断点云数据是否合格，如果判断结果为“是”，则进入下一步S6阶段，否则下一步进入S8阶段，修正采集方案，重新采集点云数据；

步骤六、点云数据去噪、拼接的S6阶段：将多航带的点云数据进行去噪，并根据特征点将多航带数据拼接在一起，形成电力设备360度全方位完整的点云数据；

步骤七、判断点云数据是否完整的S7阶段：判断点云数据是否完整，此步骤一般是检查航飞采集数据过程中，是否存在因地物遮挡等因素而没有采集到的目标；如果判断结果为“是”，则下一步进入S11阶段，将点云数据保存；否则进入S8阶段；

步骤八、修正点云数据采集方案的S8阶段：分析采集失败的原因，更正存在的问题，重新修订外业采集方案；方案修订完成之后，下一步进入S3阶段；

步骤九、影像采集的S9阶段：根据外业采集方案，通过激光扫描装置进行三维点云数据采集的同时，通过数字摄像机进行影像的采集，并将采集到的影像数据传送给主机；

步骤十、判断影像数据是否合格的S10阶段：验证外业采集的影像数据是否满足三维建模的要求，如果判断结果为“是”，则下一步进入S11阶段，否则返回S9阶段，重新进行影像数据采集工作；

步骤十一、数据保存的S11阶段：在存储器中保存采集到的点云数据和影像信息，采集流程至此结束。

本发明提供的用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法具有测量速度快、容易实施、采集数据密度大、精度高等优点。另外，采用移动LiDAR测量系统进行外业采集，工作效率可大大提高。

附图说明

图1为本发明提供的用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法所采用的硬件平台组成框图。

图2为本发明提供的用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法的操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法进行详细说明。

移动LiDAR技术是将激光扫描装置安装在飞机上，它集成激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元(IMU)/DGPS差分定位技术于一体，为获取高时空分辨率空间信息提供了一种全新的技术手段。它具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精度高等特点。通过使用激光扫描装置主动发射激光并接收回波的方式，精确获取任意回波点的三维坐标信息。

由于移动LiDAR系统本身包含激光、全球定位系统GPS和惯性导航系统INS三种技术，并与数字摄像机相结合，而且激光脉冲不受阴影和太阳角度影响，因此经过专用软件处理可完成量测对象数据成果的大规模生产，大大提高数据产出的作业生产效率，减少生产环节，缩短生产周期，提高成图精度。

如图1所示，本发明提供的用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法所采用的硬件平台包括：安装在航空飞行器上的激光扫描装置1、GPS定位装置2、惯性导航仪3、数字摄像机4、主机5、存储器6、操作平台7和机载电源8；其中：激光扫描装置1为三维激光扫描器，其与主机5相连接，用于通过连续的激光扫描，获得目标物体外貌的三维点云数据；激光扫描装置1包括一个单束窄带激光器和一个接收器。激光器产生并发射一束离散的光脉冲打在目标物体上并反射，最终被接收器所接受；接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量；结合激光器的高度、激光扫描角度、从GPS定位装置2中得到的激光器的位置和从惯性导航仪3得到的激光始发方向，就可以准确地计算出每一个目标物体外表光斑的坐标XYZ值；连续进行覆盖整个目标物体表面的激光扫描，即可获得描述目标物体全貌的三维点云数据。

GPS定位装置2为全球卫星定位系统，其与主机5相连接，用于提供采集点的位置坐标和标高信息；

惯性导航仪3为姿态检测装置，其与主机5相连接，用于提供激光扫描装置1和数字摄像机4的工作姿态信息；

数字摄像机4为数字式高清摄像机，其与主机5相连接，用于采集影像信息；

主机5为主控计算机，是各采集部件的控制中心，其控制激光扫描装置1和数字摄像机4自动进行激光扫描和影像采集，并读取GPS定位装置2和惯性导航仪3的实时数据，同时将得到的扫描信息、影像信息和位置姿态信息，按照规定的格式存储到存储器6之中；

存储器6为大容量数据存储器，其与主机5相连接，用于存储采集到的各种数据；

操作平台7为人机互交界面，其与主机5相连接，操作人员通过操作平台7了解采集的具体过程、细节和结果，并操控各部件工作；

机载电源8为机载稳压电源，用于为各部件提供工作电源。

如图2所示，本发明提供的用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、收集资料的S1阶段：收集项目指定的需要构建三维场景的输电线路或变电站的资料并进行综合分析；

步骤二、现场踏勘的S2阶段：组织外业采集人员到现场进行踏勘，记录被测区域的周边地理环境，分析适合机载方式的采集方案，为制定外业采集方案提供依据；

步骤三、机载LiDAR方案制定的S3阶段：根据S1阶段收集的资料和S2阶段现场踏勘记录的现场情况、或者是前次采集所得的采集修正方案，制定详细的外业采集方案；即确定外业采集的航带、飞行高度、飞行速度等关键参数，方案制定完毕后，下一步同时进入S4阶段和S9阶段，同时进行机载点云数据采集和机载影像采集；

步骤四、点云数据采集的S4阶段：根据制定好的外业采集方案，进行机载点云数据采集；即通过机载激光扫描装置1进行三维点云数据采集，并将采集到的点云数据传送给主机5；

步骤五、判断点云数据是否合格的S5阶段：主机5验证点云数据的精度、密度是否满足建模要求，并以此判断点云数据是否合格，如果判断结果为“是”，则进入下一步S6阶段，否则下一步进入S8阶段，修正采集方案，重新采集点云数据；

步骤六、点云数据去噪、拼接的S6阶段：将多航带的点云数据进行去噪，并根据特征点将多航带数据拼接在一起，形成电力设备360度全方位完整的点云数据；

步骤七、判断点云数据是否完整的S7阶段：判断点云数据是否完整，此步骤一般是检查航飞采集数据过程中，是否存在因地物遮挡等因素而没有采集到的目标；如果判断结果为“是”，则下一步进入S11阶段，将点云数据保存；否则进入S8阶段；

步骤八、修正点云数据采集方案的S8阶段：分析采集失败的原因，更正存在的问题，重新修订外业采集方案；方案修订完成之后，下一步进入S3阶段；

步骤九、影像采集的S9阶段：根据外业采集方案，进行机载影像采集；即通过激光扫描装置1进行三维点云数据采集的同时，通过数字摄像机4进行影像的采集，并将采集到的影像数据传送给主机5；

步骤十、判断影像数据是否合格的S10阶段：验证外业采集的影像数据是否满足三维建模的要求，如果判断结果为“是”，则下一步进入S11阶段，否则返回S9阶段，重新进行影像数据采集工作；

步骤十一、数据保存的S11阶段：在存储器6中保存采集到的点云数据和影像信息，采集流程至此结束。

在所述的S8阶段中，如果分析的结果无法得出切实可行的方案，则放弃此点的采集，然后利用其它的采集方式对此点进行补测；即采用可行的方式采集此点数据。

本发明提供的用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法主要是利用飞机搭载激光扫描装置1、GPS定位装置2、惯性导航仪3、数字摄像机4及主机5，通过主动向目标地表发射激光脉冲获取地表的三维信息。优点是自动化程度高，受天气影响小，数据生产周期短，精度高；缺点为飞行路线受空域管制，成本较高。

Claims (1)

1.一种用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法，所采用的硬件平台包括：安装在航空飞行器上的激光扫描装置(1)、GPS定位装置(2)、惯性导航仪(3)、数字摄像机(4)、主机(5)、存储器(6)、操作平台(7)和机载电源(8)；其特征在于：所述的用于构建输变电三维数字电网的机载LiDAR三维数据采集方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、收集资料的S1阶段：收集项目指定的需要构建三维场景的输电线路或变电站的资料并进行综合分析；

步骤二、现场踏勘的S2阶段：组织外业采集人员到现场进行踏勘，记录被测区域的周边地理环境，分析适合机载方式的采集方案，为制定外业采集方案提供依据；

步骤三、机载LiDAR方案制定的S3阶段：根据S1阶段收集的资料和S2阶段现场踏勘记录的现场情况、或者是前次采集所得的采集修正方案，制定详细的外业采集方案；即确定外业采集的航带、飞行高度、飞行速度关键参数，方案制定完毕后，下一步同时进入S4阶段和S9阶段，同时进行机载点云数据采集和机载影像采集；

步骤四、点云数据采集的S4阶段：根据制定好的外业采集方案，通过机载激光扫描装置(1)进行三维点云数据采集，并将采集到的点云数据传送给主机(5)；

步骤五、判断点云数据是否合格的S5阶段：主机(5)验证点云数据的精度、密度是否满足建模要求，并以此判断点云数据是否合格，如果判断结果为“是”，则进入下一步S6阶段，否则下一步进入S8阶段，修正采集方案，重新采集点云数据；

步骤六、点云数据去噪、拼接的S6阶段：将多航带的点云数据进行去噪，并根据特征点将多航带数据拼接在一起，形成电力设备360度全方位完整的点云数据；

步骤七、判断点云数据是否完整的S7阶段：判断点云数据是否完整，此步骤是检查航飞采集数据过程中，是否存在因地物遮挡因素而没有采集到的目标；如果判断结果为“是”，则下一步进入S11阶段，将点云数据保存；否则进入S8阶段；

步骤八、修正点云数据采集方案的S8阶段：分析采集失败的原因，更正存在的问题，重新修订外业采集方案；方案修订完成之后，下一步进入S3阶段；

步骤九、影像采集的S9阶段：根据外业采集方案，通过激光扫描装置(1)进行三维点云数据采集的同时，通过数字摄像机(4)进行影像的采集，并将采集到的影像数据传送给主机(5)；

步骤十、判断影像数据是否合格的S10阶段：验证外业采集的影像数据是否满足三维建模的要求，如果判断结果为“是”，则下一步进入S11阶段，否则返回S9阶段，重新进行影像数据采集工作；

步骤十一、数据保存的S11阶段：在存储器(6)中保存采集到的点云数据和影像信息，采集流程至此结束。